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并行工作量证明（PoW）协议已被文献提出用于改善中本聪共识（Nakamoto consensus）的安全性保证、交易吞吐量以及确认延迟。在本工作中，研究人员首先考察了现有的并行PoW协议，并构造了硬编码激励攻击结构。理论结果与仿真表明，现有并行PoW协议比中本
并行工作量证明（PoW）协议已被文献提出用于改善中本聪共识（Nakamoto consensus）的安全性保证、交易吞吐量以及确认延迟。在本工作中，研究人员首先考察了现有的并行PoW协议，并构造了硬编码激励攻击结构。理论结果与仿真表明，现有并行PoW协议比中本聪共识更易受到激励攻击，例如攻击具有更小的盈利阈值，并导致更高的相对收益。随后，研究人员提出了一种半并行PoW协议，该协议在多数实践维度上优于中本聪共识和现有并行PoW协议，包括通信开销、吞吐量、交易冲突、协议的激励兼容性，以及交易手续费在投票者与领导者之间的公平分配。研究人员采用最先进的分析方法评估协议的一致性，并考虑马尔可夫决策过程（MDP）模型以佐证关于该协议抵御激励攻击之韧性的主张。
研究背景方面，中本聪共识作为去中心化共识问题的解决方案，其区块到达服从工作量证明（PoW）方案所决定的指数分布，因而存在高方差问题，攻击者可利用区块间隔时间的高方差偏离诚实行为，实施双花（double-spending）与自私挖矿（selfish mining）等扣留攻击。此外，主流依赖中本聪共识的加密系统将币基奖励分配给找到合适随机数的矿工，控制较小算力份额的矿工需经历几何分布的漫长等待才能获得奖励，网络延迟与分叉进一步加剧奖励分配不公，促使矿工形成矿池，而矿池不仅威胁去中心化，还引入区块扣留攻击等脆弱性。吞吐量亦受限于同一核心原理。已有多种协议试图解决上述问题，如Fruitchain、Prism、Bitcoin-NG、GHOST规则、PHANTOM与SPECTRE等，但多伴随低容错、缺乏严格安全违规分析、缺乏高效全局一致交易排序、通信开销大以及缺乏对扣留攻击韧性等局限。并行PoW通过系统整体并行求解L个谜题以降低奖励分配时间方差并提升抗双花能力，但原始形式更易受激励攻击，Bobtail、Tailstorm及DAG式投票等修改虽旨在提升韧性，仍存在不足。
在此背景下，研究人员开展了系统性研究：首先针对现有并行PoW协议变体构造硬编码激励攻击，揭示其缺陷；继而提出一种基于投票的半并行PoW协议。研究得出，现有并行PoW协议在诸多现实设定下比中本聪共识更缺乏对激励攻击的韧性；而所提出的半并行协议在通信开销、吞吐量、交易冲突、激励兼容性及手续费公平分配等多数实践维度上均优于中本聪共识与现有并行PoW协议，并通过一致性分析与MDP建模佐证其抵御激励攻击的韧性。该研究的重要意义在于，明确了完全并行化PoW因攻击者信息优势而引入激励脆弱性，进而论证了适度并行性与激励兼容账本选举机制相结合的设计路径，为兼顾安全性、吞吐量与公平性的共识协议设计提供了理论依据与实用方案。
研究人员开展研究用到的主要关键技术方法包括：采用最先进的安全性延迟分析（security latency analysis）评估协议的双花概率与一致性；构建马尔可夫决策过程（MDP）模型以量化协议抵御激励攻击的韧性；通过理论分析与仿真相结合的方式验证对现有并行PoW协议的硬编码扣留攻击；并借助蒙特卡洛仿真等手段进行数值评估。研究假设单一合谋攻击实体持有系统算力份额α，网络由n个诚实矿工构成，并以无碰撞哈希函数作为随机预言机进行建模。
研究结果方面，首先，针对现有并行PoW协议变体的激励攻击研究得出：对Bobtail，类比最小哈希分叉选择规则分析并结合拒绝服务攻击，论证其盈利阈值α?为零，即便小型家庭矿工亦可发动激励攻击，且攻击会拉长区块间隔、降低吞吐量并增加延迟；对Tailstorm，构造的扣留攻击使盈利阈值α?=1/3，收益可达中本聪共识中自私矿工利润上界；对DAG式投票，即便攻击者无网络影响力（γ=0），当对抗算力份额α<1/3时，所构造硬编码攻击下惩罚机制反而利于攻击者，该参数区间韧性劣于Tailstorm。上述三方案均通过仿真验证了理论分析。
其次，所提出的半并行PoW协议描述研究得出：协议中每个PoW解（证明）通过其Merkle根指向一个提案账本，留待下一区块投票；证明保持账本隐藏但披露交易手续费金额，从而降低通信开销。协议引入账本选择规则与手续费分配规则，确保矿工选择提供最多手续费的提案账本，并实现提案者与后续选择该账本矿工之间的公平分配，使对抗者的任意账本操纵不可行，仅共享一个隐藏账本，避免通信开销与交易冲突；引入惩罚机制进一步强化激励兼容性。协议允许每个证明高度至多两个并行证明，呈半并行/半顺序方式挖矿，直至区块包含L（或L+1）个有效且兼容的证明，此时释放并验证提供最多手续费的账本即获胜账本。吞吐量随证明高度提升而增加，因账本由单一矿工创建而杜绝冲突、避免吞吐量浪费。
再次，协议分析研究得出：在双花攻击方面，研究人员采用有界延迟模型下的最新分析，证明双花概率上界呈指数下降；数值评估表明，在比特币参数体制下（出块间隔10分钟、α=0.1、γ=0、Δ_p=1 s），采用1区块确认规则时，约20分钟内即可达到约10??的双花概率上界，而比特币平均需220分钟方能达到相当水平，安全性保证显著优于中本聪共识。在激励攻击方面，针对全对抗证明构块与扣留证明两类攻击，前者分析表明随L增大攻击收益低于诚实挖矿；后者借助MDP模型数值评估表明，当γ=0时本协议较中本聪共识更具韧性，且随γ增大韧性进一步增强。在手续费分配规则方面，研究人员分析表明只要领导者分成比例r足够小，针对该规则的攻击通常无利可图；当r=0.001时，若对抗者提供最多手续费却不共享账本，将在宽限期后损失潜在收益，故其应发布账本，使相关交易包含攻击基本失效。
最后，讨论与结论部分总结：本协议可视为顺序PoW机制与并行PoW协议的混合，每个证明既是对前一区块高度的投票，又是对当前区块高度提案账本以供下一区块投票；账本隐藏于哈希摘要之下缩短了证明传播时间，进而降低所需并行度，故采用PHANTOM中k-簇规则并取k=1。研究人员指出，完全忽略并行证明或接受但不奖励其违背并行PoW公平与低方差的初衷，而允许过多并行证明则使对抗者得以发动扣留攻击；k=1是二者之间的折衷，未来工作可考虑在允许更高k-簇证明DAG的同时设计公平奖励机制。从激励机制角度，研究人员借鉴DECOR+与RS协议采用奖励拆分作为折衷，并指出羽毛分叉攻击分析因账本内容在L个证明挖出前不可见而不同于既有协议，留待未来工作。从吞吐量角度，因账本与证明分离，账本大小可任意增大，但需注意Δ_l增大导致宽限期内挖出的证明增多及账本创建者对交易选择控制增强，后者因选择最多手续费账本而得到缓解。研究人员亦指出，虽已分别分析针对币基奖励与交易手续费的激励攻击，仍需建立同时考虑二者的分析以提供更强韧性保证，并强调即便研究中本聪共识逾十五年，此类严格分析仍然缺失。研究结论部分可译为：研究人员提出了半并行PoW协议，其性能在多数实践维度上优于中本聪共识与现有并行PoW协议；理论分析与仿真表明现有并行PoW协议比中本聪共识更易受激励攻击；所提协议通过隐藏账本、账本选择规则、手续费分配规则与惩罚机制实现激励兼容，并借助一致性分析与MDP模型佐证其抵御激励攻击的韧性。
